turbinas a gas ciclo brayton -...

ElaborElaboróó: Ing. Jorge Fern: Ing. Jorge Fernáándezndez 11

CATEDRACATEDRA

MAQUINAS TERMICASMAQUINAS TERMICAS

TURBINAS A GAS TURBINAS A GAS CICLO BRAYTON CICLO BRAYTON

(SINTESIS)(SINTESIS)


TURBINAS A GAS CICLO BRAYTONTURBINAS A GAS CICLO BRAYTON

INTRODUCCIONINTRODUCCIONSe puede decir que antes del aSe puede decir que antes del a ñño 1940 todas o 1940 todas las mlas m ááquinas tquinas t éérmicas de combustirmicas de combusti óón interna n interna eran del tipo alternativo.eran del tipo alternativo.ReciReci één, hacia el an, hacia el a ñño 1940, al lograrse la o 1940, al lograrse la fabricacifabricaci óón de compresores rotativos de alto n de compresores rotativos de alto rendimiento, conjuntamente con los progresos rendimiento, conjuntamente con los progresos realizados en el campo de la metalurgia, que realizados en el campo de la metalurgia, que permitieron la fabricacipermitieron la fabricaci óón de aceros n de aceros refractarios capaces de resistir altas refractarios capaces de resistir altas temperaturas, se posibilittemperaturas, se posibilit óó el desarrollo de las el desarrollo de las TURBINAS A GAS.TURBINAS A GAS.Fue durante la guerra de 1939 a 1945 que la Fue durante la guerra de 1939 a 1945 que la TURBINA A GASTURBINA A GAS alcanzalcanz óó su msu m ááxima difusixima difusi óón.n.



CICLO BRAYTON SIMPLECICLO BRAYTON SIMPLE

En el aEn el a ñño 1873 o 1873 GEORGE GEORGE BRAYTONBRAYTON expuso el expuso el principio de principio de funcionamiento del ciclo funcionamiento del ciclo simple de la turbina a gas, simple de la turbina a gas, las cuales son mlas cuales son m ááquinas quinas ttéérmicas rotativas de rmicas rotativas de combusticombusti óón interna a flujo n interna a flujo continuo continuo

George Brayton(1830-1892).Ingeniero estadounidense. Propuso el ciclo termodinámico de las actuales turbinas de gas.



ESQUEMA DE UNA TURBINA A GAS CICLO BRAYTON SIMPLE D E UN SOLO EJEESQUEMA DE UNA TURBINA A GAS CICLO BRAYTON SIMPLE D E UN SOLO EJE



ROTOR COMPRESOR DE AIRE TIPO AXIALROTOR COMPRESOR DE AIRE TIPO AXIAL



ROTOR DE TURBINA A GASROTOR DE TURBINA A GAS



ROTOR DEL COMPRESOR AXIALROTOR DEL COMPRESOR AXIAL



CICLO TERMODINAMICO CICLO TERMODINAMICO BRAYTON TEORICOBRAYTON TEORICOEl ciclo termodinEl ciclo termodin áámico mico teteóórico por el cual rico por el cual funcionan todas las funcionan todas las turbinas a gas es el Ciclo turbinas a gas es el Ciclo BRAYTONBRAYTON11--2: compresi2: compresi óón del aire en el n del aire en el

compresor axialcompresor axial

22--3:3: oxidacioxidaci óón del n del combustible en la ccombustible en la c áámara mara de combustide combusti óónn

33--4:4: ExpansiExpansi óón de los gases n de los gases combusticombusti óón en la turbinan en la turbina

4:4: escape de los gases escape de los gases combusticombusti óón a la atmn a la atm óósferasfera



El volumen de aire aspirado por el compresor es sie mpreEl volumen de aire aspirado por el compresor es sie mpremayor al necesario para producir la oxidacimayor al necesario para producir la oxidaci óón deln delcombustible en la ccombustible en la c áámara de combustimara de combusti óón. n. Este exceso, del orden de 6 a 7 veces es debido a: Este exceso, del orden de 6 a 7 veces es debido a: 1.1. La necesidad de lograr una adecuada refrigeraciLa necesidad de lograr una adecuada refrigeraci óón de n de

las partes calientes de la mlas partes calientes de la m ááquina (cquina (c áámara de mara de combusticombusti óón, conductos de transicin, conductos de transici óón, estadios de n, estadios de toberas fijas, ruedas de alabes mtoberas fijas, ruedas de alabes m óóviles y conductos de viles y conductos de escape)escape)

2.2. La necesidad de disminuir la temperatura de los gas es La necesidad de disminuir la temperatura de los gas es de combustide combusti óónn

Dicho exceso de aire es lo que obliga al compresor axial aDicho exceso de aire es lo que obliga al compresor axial atener un gran tamatener un gran tama ñño y en consecuencia a absorber lao y en consecuencia a absorber lamayor parte de la potencia entregada por la turbina , delmayor parte de la potencia entregada por la turbina , delorden de las 3/4 partes de la misma. orden de las 3/4 partes de la misma.



PARAMETROS TERMODINAMICOS DE FUNCIONAMIENTOPARAMETROS TERMODINAMICOS DE FUNCIONAMIENTO

11495495Gases combustiGases combusti óón salida turbina n salida turbina (punto 4)(punto 4)

10101.1001.100Gases combustiGases combusti óón entrada turbina n entrada turbina (punto 3)(punto 3)

15/115/1--------------RelaciRelaci óón de compresin de compresi óónn

1010316316Aire salida compresor axial Aire salida compresor axial (punto 2)(punto 2)

111515Aire entrada compresor axial Aire entrada compresor axial (punto 1)(punto 1)

PRESIONPRESION((kgkg /cm2)/cm2)

TEMPERATURATEMPERATURA((ººCC))

PARAMETROS DE PARAMETROS DE FUNCIONAMIENTOFUNCIONAMIENTO



SISTEMA DE COMBUSTIONSISTEMA DE COMBUSTIONLas cLas c áámaras de combustimaras de combusti óón de las turbinas a gas han n de las turbinas a gas han sido objetos de permanentes desarrollos a fin de sido objetos de permanentes desarrollos a fin de lograr una eficiente combustilograr una eficiente combusti óón y por otro lado n y por otro lado asegurar bajas emisiones contaminantes en asegurar bajas emisiones contaminantes en contenidos de contenidos de óóxidos de nitrxidos de nitr óógeno (NO y NO2)geno (NO y NO2)En la cEn la c áámara de combustimara de combusti óón se produce la oxidacin se produce la oxidaci óón n del combustible desarrolldel combustible desarroll áándose muy altas ndose muy altas temperaturas, por arriba de los 3.000 temperaturas, por arriba de los 3.000 ººFFUna de las funciones esenciales que debe obtenerse Una de las funciones esenciales que debe obtenerse en la cen la c áámara de combustimara de combusti óón es la de estabilizar la n es la de estabilizar la llama dentro de una corriente de gases que se llama dentro de una corriente de gases que se encuentran a alta velocidad, de manera que encuentran a alta velocidad, de manera que éésta se sta se mantenga establemantenga estable



CAMARA DE COMBUSTION DISECAMARA DE COMBUSTION DISE ÑÑO ASEA BROWN BOVERIO ASEA BROWN BOVERI



CAMARA DE COMBUSTION DISECAMARA DE COMBUSTION DISE ÑÑO GENERAL ELECTRICO GENERAL ELECTRIC



SISTEMA DE REFRIGERACIONSISTEMA DE REFRIGERACIONEl rendimiento tEl rendimiento t éérmico y la potencia de la turbina a gas rmico y la potencia de la turbina a gas estest áán fuertemente influenciados por:n fuertemente influenciados por:11-- La relaciLa relaci óón de compresin de compresi óón y n y 22-- La temperatura de los gases de combustiLa temperatura de los gases de combusti óón al n al ingreso a la turbinaingreso a la turbinaDado que los aceros Dado que los aceros supersuper refractarios empiezan a refractarios empiezan a fundir a aproximadamente a los 2.200 fundir a aproximadamente a los 2.200 ººFF, las partes , las partes calientes de la mcalientes de la m ááquina deben ser refrigeradas, usando quina deben ser refrigeradas, usando gran parte del aire del compresor axialgran parte del aire del compresor axialEl aire extraEl aire extra íído del compresor es utilizado para do del compresor es utilizado para refrigerar, entre otros componentes calientes, los refrigerar, entre otros componentes calientes, los estadios de toberas fijas y las ruedas de alabes mestadios de toberas fijas y las ruedas de alabes m óóvilesviles



ALABES REFRIGERADOS (HUECOS) 1er. ESTADIO MOVIL ALABES REFRIGERADOS (HUECOS) 1er. ESTADIO MOVIL DISEDISEÑÑO GENERAL ELECTRICO GENERAL ELECTRIC



RENDIMIENTO TEORICO TURBINA A GAS CICLO BRAYTONRENDIMIENTO TEORICO TURBINA A GAS CICLO BRAYTON

ηη = = Rendimiento Rendimiento termodintermodin áámico de la mico de la turbina a gasturbina a gas

r =r = RelaciRelaci óón de compresin de compresi óón n del compresor axialdel compresor axial

r = pr = p aire salidaaire salida /p/paire entradaaire entrada

El rendimiento El rendimiento teoricoteorico nos dice nos dice que a mayor relacique a mayor relaci óón de n de compresicompresi óón, mayor sern, mayor ser áá el el rendimiento de la turbina a rendimiento de la turbina a gas, lo cual no ocurre en la gas, lo cual no ocurre en la prpr áácticactica



Curvas de rendimiento reales Curvas de rendimiento reales de una mde una m ááquina ciclo quina ciclo BRAYTON en funciBRAYTON en funci óón de la n de la temperatura de los gases de temperatura de los gases de combusticombusti óón al ingreso de la n al ingreso de la turbina y de la relaciturbina y de la relaci óón de n de compresicompresi óón.n.

El El ηηηηηηηη de las mde las m ááquinas quinas actuales estactuales est áá en el orden del en el orden del 30% para temperatura de los 30% para temperatura de los gases de combustigases de combusti óón al n al ingreso a turbina de 1.000ingreso a turbina de 1.000 ººCCa 1.100 a 1.100 ªªCC. .



PUESTA EN MARCHA DE LA TURBINA A GASPUESTA EN MARCHA DE LA TURBINA A GAS

11-- Se pone en funcionamiento el sistema de Se pone en funcionamiento el sistema de lubricacilubricaci óón a travn a trav éés de la bomba auxiliar de s de la bomba auxiliar de aceite, la cual es energizada mediante aceite, la cual es energizada mediante corriente alterna disponible de la redcorriente alterna disponible de la red

22-- Con la presiCon la presi óón adecuada de aceite, se pone en n adecuada de aceite, se pone en marcha el motor de arranque (motor de marcha el motor de arranque (motor de lanzamiento), el cual puede ser: un motor lanzamiento), el cual puede ser: un motor DIESEL, un motor elDIESEL, un motor el ééctrico de rotor bobinado, ctrico de rotor bobinado, o una pequeo una peque ñña turbina a vapor.a turbina a vapor.

El eje de salida del motor se encuentra El eje de salida del motor se encuentra acoplado al embrague hidracoplado al embrague hidr ááulicoulico



33-- Se activa el acoplamiento mecSe activa el acoplamiento mec áánico, vinculando nico, vinculando de esta manera el eje del motor con el eje del de esta manera el eje del motor con el eje del paquete compresor paquete compresor –– turbina turbina –– generador generador elelééctrico, a travctrico, a trav éés del embrague hidrs del embrague hidr ááulicoulico

44-- Se pone en marcha el virador, el cual saca del Se pone en marcha el virador, el cual saca del reposo a la masa rotante hacireposo a la masa rotante haci ééndola girar a ndola girar a aproximadamente 3 a 5 rpmaproximadamente 3 a 5 rpm

55-- Etapa de aceleraciEtapa de aceleraci óón del motor de lanzamiento, n del motor de lanzamiento, que en el caso de que que en el caso de que ééste fuera un motor ste fuera un motor elelééctrico de rotor bobinado se van ctrico de rotor bobinado se van desconectando las resistencias desconectando las resistencias rotrot óóricasricas con lo con lo cual se incrementa el ncual se incrementa el n úúmero de vueltasmero de vueltas



66-- Con el Con el aumento del naumento del n úúmero de vueltas del motor mero de vueltas del motor de lanzamiento, aumenta el de la mde lanzamiento, aumenta el de la m ááquina y quina y generador gracias al embrague hidrgenerador gracias al embrague hidr ááulicoulico

77-- Esta situaciEsta situaci óón se mantiene hasta que todo el n se mantiene hasta que todo el conjunto alcanza aproximadamente la mitad del conjunto alcanza aproximadamente la mitad del nnúúmero de vueltas de rmero de vueltas de r éégimen de la turbinagimen de la turbina

88-- Alcanzado Alcanzado ééste estado de giro se habilita el ste estado de giro se habilita el ingreso de combustible a los inyectores en las ingreso de combustible a los inyectores en las ccáámaras de combustimaras de combusti óón y se energiza la bujn y se energiza la buj íía de a de encendido, produciencendido, produci ééndose la combustindose la combusti óón del n del combustiblecombustible

99-- La turbina se acelera, arrastrada por el motor de La turbina se acelera, arrastrada por el motor de lanzamiento y por los gases de combustilanzamiento y por los gases de combusti óónn



1010-- Cuando el nCuando el n úúmero de vueltas de la turbina mero de vueltas de la turbina supera el del motor de lanzamiento, supera el del motor de lanzamiento, ééste se ste se desacopla automdesacopla autom ááticamenteticamente

1111-- La turbina continLa turbina contin úúa el proceso de aceleracia el proceso de aceleraci óón n por spor s íí sola gracias a los gases de combustisola gracias a los gases de combusti óón n hasta alcanzar el nhasta alcanzar el n úúmero de vueltas de rmero de vueltas de r éégimengimen

1212-- Alcanzado el estado de rAlcanzado el estado de r éégimen se transfiere el gimen se transfiere el sistema de lubricacisistema de lubricaci óón a la bomba principal de n a la bomba principal de aceite, saliendo de servicio la bomba auxiliaraceite, saliendo de servicio la bomba auxiliar

1313-- En estas condiciones el generador entra en En estas condiciones el generador entra en paralelo con la red y empieza a tomar carga paralelo con la red y empieza a tomar carga hasta llegar a la potencia efectiva del mismohasta llegar a la potencia efectiva del mismo



GRACIASGRACIAS

POR SU ATENCIONPOR SU ATENCION

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